экзамен / книги пособия / Obogrevy_teploobmennikov

ВВЕДЕНИЕ

Проведение многих технологических процессов, осуществляемых в химической промышленности, часто бывает связано с необходимостью подвода или отвода тепловой энергии. Для решения этой задачи применяют различные теплоносители, которые отдают или поглощают тепловую энергию в теплообменных аппаратах (теплообменниках), предназначенных для передачи тепла от одного теплоносителя, нагретого до более высокой температуры, к другому.

Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии.

Теплоносители, отдающие тепловую энергию в теплообменном аппарате, называют теплагентами, поглощающие – хладагентами. Следует отметить, что деление теплоносителей на теплагенты и хладагенты во многом условно, поскольку один и тот же теплоноситель в одних процессах может выступать в роли теплагента, а в других – хладагента. Примером таких теплоносителей являются промежуточные теплоносители, служащие для транспортировки тепловой энергии от её источников (печей, где тепло выделяется при сгорании топлива) к аппаратам, потребляющим тепловую энергию.

В качестве теплоносителей могут служить жидкости, газы и пары, удовлетворяющие ряду требований:

●подходящий для осуществляемого процесса рабочий температурный интервал;

●достаточное теплосодержание – количество тепла выделяемое или поглощаемое теплоносителем в процессе теплообмена, для не меняющих в процессе теплообмена своего фазового состояния теплоносителей определяется теплоёмкостью, для теплоносителей, претерпевающих в процессе теплообмена фазовое превращение, определяется теплотой парообразования или конденсации;

●невысокая вязкость, позволяющая осуществлять транспортировку теплоносителя к теплообменным аппаратам и циркуляцию теплоносителя внутри аппаратов, также вязкость теплоносителя косвенно влияет на коэффициент теплоотдачи;

●отсутствующая или невысокая коррозионная активность;

3

●безопасность, определяющаяся токсичностью теплоносителя, огнеопасностью и взрывоопасностью, возможностью вызывать термические или криоожоги, а также экологическая безопасность;

●невысокая стоимость теплоносителя и его доступность. Теплообменник – устройство, в котором осуществляется теплообмен

между теплоносителями, имеющими различные температуры. Теплообменники классифицируются по самым разным признакам: спосо-

бу теплопередачи, устройству конструкции и способу конфигурации и компоновки поверхности теплопередачи, материалу, из которого изготовлен теплообменник и т.д. Большое разнообразие теплообменного оборудования связано с неоднозначными требованиями, предъявляемыми к теплообменникам, которые зависят от условий их эксплуатации. Следующие требования к теплообменному оборудованию являются основополагающими:

●минимальный расход материалов при изготовлении;

●устойчивость материала к коррозионному действию теплоносителей;

●компактность аппарата при достаточной площади поверхности теплопередачи;

●высокий коэффициент теплопередачи при минимальном гидравлическом сопротивлении;

●надежность и герметичность оборудования;

●легкий доступ к поверхности оборудования для ее очистки от загрязне-

ний;

●доступность деталей и узлов или их унификация.

4

1. ТЕПЛАГЕНТЫ

Все теплагенты можно разделить на три класса по их фазовому состоянию, с которым связан также их рабочий температурный интервал (рис. 1). Самые высокие температуры имеют газообразные теплагенты. Это, прежде всего, дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива в печах или специальных топках. Кроме того, используют дымовые отработанные газы, которые являются отходами работы различных печей. Вследствие низкой теплоёмкости газообразные теплоносители способны отдать в процессе теплообмена относительно небольшое количество тепловой энергии (менее 300 кДж/кг), и имеют довольно низкий коэффициент теплоотдачи. Всё это, вместе с низкой плотностью газов, приводит к громоздкости теплообменных аппаратов, где в качестве теплагента выступают газы, и проблемам с транспортировкой этих теплоносителей.

Рис. 1. Рабочие интервалы температур теплагентов и нагрева электрическим током

5

Второй класс теплагентов составляют пары жидкостей, их отличие от газов в том, что в процессе теплообмена пары меняют своё фазовое состояние, превращаясь в жидкость – конденсат. Из подобных теплоносителей наиболее распространён водяной пар. Также нашли применение пары высококипящих органических жидкостей. Реже используются пары металлов: лития, калия, кадмия и ртути. Поскольку тепловой эффект фазового перехода достаточно высок, то количество тепловой энергии, получаемой с одного килограмма такого теплагента в теплообменном аппарате может достигать 2 300 кДж/кг. Следовательно, по этому показателю пары лидируют среди других теплагентов. Рабочий температурный интервал паров, как теплагентов, лежит несколько ниже рабочего интервала газообразных теплагентов. При этом пары обычно играют роль промежуточных теплоносителей, осуществляющих транспортировку к теплообменным аппаратам тепловой энергии, полученной от дымовых газов.

Третий класс теплагентов – это жидкие теплагенты: вода (в том числе перегретая и находящаяся под давлением); высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), представляющие собой органические жидкости с высокими температурами кипения (этиленгликоль, глицерин, нафталин и его производные, дифенил и его производные) и их смеси (например, дифенильная смесь); минеральные масла; ионные теплоносители, представляющие собой расплавы солей (например, нитрит-нитратная смесь); кремнийорганические жидкости; жидкометаллические теплоносители (ртуть, расплавы щелочных и щелочно-земельных металлов, расплавы свинца, висмута, кадмия, сурьмы, олова). Количество тепловой энергии, выделяемое жидкими теплагентами в процессе теплообмена обычно несколько ниже, чем у паров, и редко превышает 200–300 кДж/кг. Однако высокая плотность жидкостей, по сравнению с газами и парами, делает жидкие теплагенты гораздо более экономически выгодными и удобными для использования, чем газообразные теплагенты, и позволяет конкурировать с парами, поскольку теплообменное оборудование, где используются жидкие теплагенты, достаточно компактно, а транспортировка жидких теплагентов сопряжена со значительно меньшими трудностями, чем транспортировка газов и паров.

Отдельно следует отметить процесс нагрева электрическим током. Аппараты для нагрева электрическим током наиболее компактны, рабочий интервал температур довольно широк, а сам процесс нагрева легко контролируется и ре-

6

гулируется. Всё это позволяет при необходимости использовать электрический ток вместо любого другого теплагента. Однако стоимость единицы тепловой энергии, полученной при нагреве электрическим током, в несколько раз выше стоимости единицы тепловой энергии, полученной при сжигании топлива. Поэтому на химических предприятиях, где есть возможность получать тепловую энергию от теплостанций, нагрев электрическим током не применяют. Используют его лишь на малотоннажных установках, там, где нет подведённых линий паропроводов. На крупнотоннажных установках зачастую для получения тепловой энергии более рентабельным оказывается установка топки, отапливаемой природным газом, чем нагрев электрическим током.

1.1. Дымовые газы

Получение

Основным источником тепловой энергии на химических предприятиях служат разнообразные печи, где производится сжигание топлива (рис. 2). В качестве топлива могут служить такие распространенные энергоносители, как природный газ, каменный уголь, мазут, торф, а также различное сырьё химических предприятий, которое при переработке подвергают сжиганию или обжигу, например, сера и железный колчедан на сернокислотных заводах.

Продуктом работы печей является тепловая энергия, часть которой выделяется в виде излучения. Эта часть может быть снята и отведена каким-либо теплоносителем непосредственно из радиационной зоны печи. Другая часть тепловой энергии содержится в дымовых газах, представляющих собой смесь продуктов сгорания топлива с воздухом, который подаётся в печь обычно в избытке. Эта часть тепловой энергии может быть снята и отведена в конвективной зоне печи, либо направлена вместе с дымовыми газами к потребляющим тепловую энергию аппаратам.

Транспортировка дымовых газов сопряжена с рядом трудностей. Низкая плотность и малая теплоёмкость газов приводит к значительным диаметрам труб газопроводов, необходимым для их транспортировки. Обеспечить тепловую изоляцию таких широких труб сложно, а недостаточная изоляция при довольно значительных температурах дымовых газов приводит к большим тепло-

7

вым потерям и быстрому остыванию газов. Поэтому потребляющие тепловую энергию дымовых газов аппараты следует размещать рядом с печами.

Рис. 2. Схема трубчатой печи:

1 – удаление шлака; 2 – воздух; 3 – факел сгорающего топлива; 4 – радиационная зона печи; 5 – трубчатка радиационной зоны печи; 6 – дымовые газы; 7 – конвективная зона печи;

8 – трубчатка конвективной зоны печи; 7 – отработанные газы

Также возможно получение дымовых газов непосредственно рядом с потребляющим их аппаратом. Для этого используют небольшие топки (рис. 3), где в качестве топлива используют обычно природный газ. Дымовые газы в этом случае перед подачей в теплообменный аппарат обычно разбавляют воздухом до необходимой температуры.

Не вся тепловая энергия дымовых газов может быть отведена непосредственно из печи. Отходящие из печи газы имеют температуру 300÷500 °С, на-

8

зываются отработанными дымовыми газами, и также при необходимости могут быть использованы в качестве теплагента. Поскольку температура этих газов ниже, а сами они являются отходами, требования к их транспортировке менее жёсткие, и их уже можно транспортировать на некоторые расстояния.

Рис. 3. Схема обогрева топочными газами:

1 – подача воздуха в камеру сгорания; 2 – подача воздуха для разбавления дымовых газов; 3 – подача топлива; 4 – горелка; 5 – камера смешения; 6 – теплообменный аппарат;

7 – дымовой насос; 8 – отвод отработанных газов

Достоинства дымовых газов как теплагента:

1)Наиболее высокий из всех теплагентов рабочий интервал температур (для печных и топочных дымовых газов 400÷1 000 °С, для отработанных газов

300÷500 °С).

2)Относительно низкая стоимость, благодаря получению непосредственно сжиганием топлива.

Недостатки дымовых газов как теплагента:

1) Малая удельная объёмная теплоёмкость (около 1,5 кДж/(м3·К)), что вызывает необходимость пропускания через аппараты больших объёмов газов, обуславливает громоздкость аппаратов и вызывает трудности с транспортировкой газов к аппаратам.

2) Низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке (менее 50 Вт/(м2·К)), что приводит к необходимости создания в аппаратах больших

9

поверхностей теплоотдачи (например, путём оребрения со стороны газов) и обуславливает громоздкость аппаратов.

3)Неравномерность нагрева и сложность регулирования нагрева из-за значительного изменения температуры дымовых газов в процессе теплообмена (для наиболее полного использования тепла дымовые газы в процессе теплообмена охлаждают на несколько сотен градусов, следовательно, части аппарата, контактирующие со свежими дымовыми газами, будут нагреты гораздо сильнее, чем части, контактирующие с отходящими газами).

4)Загрязнение нагреваемых веществ продуктами сгорания и сажей при непосредственном (остром) контакте дымовых газов с нагреваемыми веществами или загрязнение поверхности теплопередачи при контакте через стенку.

5)Коррозия стенок аппарата вследствие высоких температур и содержания коррозионно-активных веществ (воды, остатков кислорода, оксидов серы и азота) в дымовых газах.

6)Экологическая опасность (загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива: оксидами азота, серы и фосфора, а также выброс в атмосферу парниковых газов).

Область применения

Дымовые газы, получаемые при сжигании твёрдого, жидкого или газообразного топлива – основной источник тепловой энергии на химических предприятиях. Другие теплагенты, являющиеся промежуточными теплоносителями (такие как водяной пар, горячая вода, ВОТ и др.), получают тепловую энергию от дымовых газов. Контакт между дымовыми газами и промежуточным теплоносителем осуществляют в аппаратах, аналогичных изображённой на рис. 2 трубчатой печи.

Дымовые газы часто используют как теплагент в регенеративных теплообменниках. Так воздух, подаваемый в доменную печь, предварительно нагревают в регенеративном теплообменнике (рис. 52), для нагрева которого используются отводимые из доменной печи дымовые газы.

Дымовые газы также используются как теплагент при непосредственном контакте с нагреваемыми веществами (остром нагреве), например, в процессе конвективной сушки, где дымовые газы играют роль сушильного агента.

10